Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của đứt cáp và thay thế cáp dây văng đến ứng xử tĩnh của cầu Extradosed Điện Biên Phủ - tuyến Metro số 1” là nội dung tôi chọn để nghiên cứu và làm luận văn
Đặc điểm cầu Extradosed
Cầu Extradosed là một dạng kết cấu cầu dầm - dây kết hợp Về bản chất đây là một kết cấu nhịp sử dụng cáp dự ứng lực ra bên ngoài, cáp được đặt xa trọng tâm của dầm, thường đặt trên đỉnh trụ tháp và có độ lệch tâm lớn Dạng kết cấu này đã làm giảm được chiều cao dầm chủ, tăng được chiều dài nhịp so với kết cấu dầm cùng chiều cao mặt cắt, có tính thẩm mỹ cao Cầu Extradosed được coi là một loại kết cấu kết hợp giữa cầu bê tông cốt thép dự ứng lực nhịp liên tục và cầu dây văng, hay nói cách khác cầu Extradosed được coi là một loại kết cấu trung gian giữa cầu bê tông cốt thép dự ứng lực khẩu độ lớn truyền thống và cầu dây văng
Với công nghệ thi công đúc hẫng hiện đang được áp dụng phổ biến thì momen dương tại giữa nhịp của dầm liên tục có trị số nhỏ hơn khá nhiều so với momen âm trên gối Do đó không cần phải cấu tạo cáp căng ngoài mà chỉ cần cáp căng trong cũng đủ giải quyết được ứng suất kéo tại khu vực này Thêm nữa, việc không bố trí cáp căng ngoài có độ lệch tâm lớn cho phần momen dương sẽ giảm bớt sự phức tạp về kết cấu và công nghệ Vì vậy, chỉ bố trí cáp lệch tâm lớn tại khu vực xuất hiện momen âm trên gối, mục đích nhằm cải thiện khả năng tạo dự ứng lực tại khu vực dầm xuất hiện ứng suất kéo trong giai đoạn sử dụng, đó chính là triết lý trong thiết kế cầu Extradosed.
Sơ đồ bố trí nhịp cầu Extradosed
Cầu Extradosed hai nhịp dành cho các cầu vượt qua đường, vượt qua sông hay thung lũng không rộng lắm
- Loại cầu 2 nhịp cân bằng: loại kết cấu này tạo ra sự cân đối cho toàn cầu
- Loại cầu 2 nhịp không cân bằng: trong sơ đồ cho loại cầu này, trụ tháp cũng có thể được đặt lệch sang một bên tạo ra chiều dài hai nhịp không cân bằng nhau Tùy theo vị trí trụ tháp, sơ đồ bố trí cáp văng trên nhịp nhỏ có thể bố trí giống hoặc khác so với sơ đồ cáp văng trên nhịp lớn về số lượng dây cũng như khoảng cách giữa các cáp văng b Cầu Extradosed ba nhịp:
Phần lớn cầu Extradosed được thiết kế theo kiểu hệ ba nhịp, trong đó nhịp giữa có chiều dài lớn nhất, còn hai nhịp biên có chiều dài nhỏ hơn Chiều dài nhịp biên thường thay đổi rất lớn và phụ thuộc vào chiều dài nhịp giữa, thông thường được lấy bằng (0.3~0.7)L, trong đó L là chiều dài nhịp chính c Cầu Extradosed nhiều nhịp:
Cầu Extradosed là loại cầu có khẩu độ nhịp trung bình từ 90 ~ 200m Thông thường, cầu Extradosed chỉ dùng đến hệ 3 nhịp để vượt các nhịp chính, phần còn lại sẽ dung các nhịp dẫn, vừa đảm bảo khổ thông thuyền cũng như giá thành xây dựng Tuy nhiên, đối với những cầu dài qua biển, nối từ đảo này dang đảo khác, để tránh phải xây dựng nhiều trụ trong điều kiện thi
HV: Ngô Thành Ý 4 MSHV: 7140086 công phức tạp, có thể dung nhiều nhịp Ngoài ra, một số cầu còn sử dụng hệ hai nhịp để vượt nhịp chính, các nhịp còn lại sẽ sử dụng hệ dầm cứng bằng BTCT dự ứng lực thông thường hay dầm cứng bằng BTCT có sườn thép lượn song.
Sơ đồ bố trí cáp văng
- Sơ đồ cáp dạng hình rẽ quạt
Hình 1.1 Sơ đồ cáp dạng hình quạt - Sơ đồ cáp dạng song song
Hình 1.2 Sơ đồ cáp dạng song song
- Sơ đồ cáp hai mặt phẳng dây: hai mặt phẳng được bố trí ở hai biên của dầm cứng - Sơ đồ cáp một mặt phẳng dây: mặt phẳng dây được bố trí dọc tim cầu.
Các dạng trụ tháp
Tháp trong cầu Extradosed thường được làm bằng bê tông cốt thép, tháp cầu thường có dạng một nhánh hoặc hai nhánh, do chiều cao tháp thấp nên tháp không có dạng chữ A hoặc chữ Y ngược là các dạng tháp phổ biến trong cầu dây văng Đối với tháp cầu Extradosed có chiều cao tương đối lớn cũng có thể có dầm ngang liên kết hai đỉnh tháp với nhau để tăng độ
HV: Ngô Thành Ý 5 MSHV: 7140086 cứng ngang Tháp và trụ cầu Extradosed thường được liên kết khớp hay liên kết cứng với nhau.
Lịch sử phát triển của cầu Extradosed
Cầu Extradosed được ông Mathivat người Pháp là người đầu tiên đưa ra khái niệm năm 1988, ông quan niệm cầu Extradosed như cáp dự ứng lực ngoài trên bản mặt cầu và được chuyển hướng bằng cột thấp, liên kết giữa dầm và cột bằng các tấm panel có chứa cáp dự ứng lực Sau đó, để giảm đi trọng lượng dầm, tiết kiệm vật liệu, Mathivat đã đề xuất thay thế các tấm panel dự ứng lực bằng các cáp dự ứng lực ngoài, liên kết với trụ tháp kích thước nhỏ đặt trên kết cấu nhịp, khi thiết kế cầu cạn Arret Darré ở Pháp năm 1999 Ở Nhật, Kasuga cũng đã áp dụng khái niệm của Mathivat, đã thiết kế cây cầu Odawara Blueway thi công hoàn thành năm 1994, năm 1999 Philippine xây dựng cầu Extradosed - cầu Mactan, nhịp chính lớn nhất 185m , năm 2000 Lào cũng đã xây dựng cầu Extradosed đầu tiên bắc qua sông Mêkông - cầu Pakse, nhịp chính dài 143 m, cũng trong năm 2000, Trung Quốc đã hoàn thành cầu Extradosed phục vụ cho tuyến đường sắt vượt sông Dương Tử có chiều dài nhịp chính là 144 m và tiếp theo đó là nhiều cây cầu Extradosed ra đời khắp nơi trên thế giới
Hình 1.3 Cầu Granter Thụy Sỹ năm 1999
Hình 1.4 Mô hình cầu Arret Darré Pháp - năm 1999
Hình 1.5 Cầu Odawara Blueway Nhật Ở nước ta, cầu Extradosed được sử dụng đầu tiên là cầu vượt Ngã Tư Sở nhịp lớn nhất 45m, hoàn thành năm 2004 và tiếp theo là cầu Đăcke - Komtum nhịp lớn nhất 50m hoàn thành năm 2012 và năm 2015 cầu An Đông tỉnh Ninh Thuận đã thi công hoàn thành với chiều dài nhịp lớn nhất 140m, Hiện nay, cầu Điện Biên Phủ thuộc dự án tuyến Metro số 1 đang được xây dựng cũng sử dụng kết cấu cầu Extradosed với chiều dài nhịp chính là 70m
Hình 1.6 Cầu kiểu Extradosed vượt Ngã Tư Sở - Hà Nội
Hình 1.7 Cầu kiểu Extradosed qua hồ Trung tâm tỉnh Đăk Nông
Hình 1.8 Cầu kiểu Extradosed - Cầu An Đông tỉnh Ninh Thuận
Hình 1.9 Cầu Đắcke tỉnh KomTum
Hình 1.10 Cầu kiểu Extradosed - Cầu Điện Biên Phủ - tuyến Metro số 1
Ưu nhược điểm
- Chiều cao dầm cầu chỉ bằng một nửa so với cầu dầm liên tục Do đó, nó rất thích hợp cho các cầu vượt trong đô thị
- Chiều cao tháp thấp hơn cầu dây văng Chiều cao trụ tháp thấp cũng tạo điều kiện dễ dàng cho việc lắp đặt cáp văng cũng như cho công tác duy tu bảo dưỡng sau này
- Do kết cấu nhịp có độ cứng lớn nên biến dạng nhỏ, việc kiểm soát độ võng trong quá trình thi công đơn giản hơn so với cầu dây văng vì vậy việc căng chỉnh cáp đơn giản hơn Độ cứng dầm cầu cho phép kết cấu liên tục nhiều nhịp và thích hợp với tải trọng đường sắt ở vị trí độ võng giới hạn phải được tuân theo
- Khác với cầu dây văng, nơi cáp chịu gần như 100% hoạt tải, cáp cầu Extradosed chỉ được thiết kế để chịu một phần hoạt tải nên các vấn đề liên quan đến tính toán mỏi của cáp không phải là yếu tố không chế Do đó khi thiết kế cho phép lấy ứng suất tính toán của cáp đến 0.65fpu (fpu là cường độ giới hạn của cáp), trong khi đó đối với cầu dây văng chỉ có (0.4~0.45)fpu
- Hầu hết cầu Extradosed sử dụng cáp ngắn, độ võng bản thân cáp nhỏ nên dao động của cáp cũng không phải là yếu tố ảnh hưởng lớn và không quan trọng như ở cầu dây văng
- Cáp văng biên ngoài không cần thiết phải được neo xuống mố hay trụ neo như trong cầu dây văng, vì hệ dầm cứng trong cầu Extradosed có độ cứng rất lớn
- Cầu Extradosed với sơ đồ hệ cáp dây văng sẽ tạo ra một cảnh quan đẹp, phù hợp với công trình cầu trong khu vực đô thị
- Giá thành xây dựng cầu Extradosed cũng có tính ưu việt nhất định so với cầu dây văng, do số lượng cáp văng ít hơn b Nhược điểm:
- Mặc dù sử dụng cáp như cầu dây văng nhưng khả năng vượt nhịp của cầu Extradosed là tương đối ngắn
- Chiều cao dầm vẫn còn rất lớn so với cầu dây văng, do đó cấu tạo dầm không thanh mảnh.
Phạm vi áp dụng
Với ưu nhược điểm như trên, cầu Extradosed là một dạng đặc biệt của cầu bê tông cốt thép được tạo ứng suất trước bằng công nghệ dự ứng lực ngoài Các bó cáp cường độ cao được đưa lên khỏi bề mặt dầm cứng và liên kết với trụ tháp có chiều cao thấp đặt trên trụ Nhìn hình dàng bên ngoài, cầu Extradosed rất giống cầu dây văng có trụ tháp thấp nhưng bản chất của kết cấu lại ứng xử gần với cầu dầm cứng hơn là cầu dây văng Điểm quan trọng của cầu Extradosed là hệ dầm cứng và hệ dây treo cùng làm việc dưới tác dụng của hoạt tải, do vậy có sự phân phối nội lực đồng đều hơn giữa hệ dầm cứng và hệ dây treo Kết quả là tận dụng được khả năng làm việc của vật liệu Ngoài ra, cầu Extradosed còn có tính đa dạng về mặt kết cấu nhịp như có thể là kết cấu BTCT dự ứng lực thông thường sử dụng dự ứng lực trong, dự ứng lực ngoài, hay kết hợp cả hai loại công nghệ tạo dự ứng lực Mặt cắt tiết diện dầm có thể thay
HV: Ngô Thành Ý 9 MSHV: 7140086 đổi hay không thay đổi tùy theo khẩu độ nhịp Kết cấu nhịp có thể là BTCT dự ứng lực hay kết hợp giữa kết cấu bê tông và kết cấu thép Với các ưu điểm nổi bật trên đây cùng với sự hấp dẫn vế mặt kết cấu, khẩu độ, kiểu dáng kiến trúc và giá thành xây dựng hợp lý, chắc chắn cầu Extradosed sẽ lá một hướng phát triển nhiều triển vọng trong ngành xây dựng cầu ở trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng
Các hư hỏng thường gặp ở cầu Extradosed
Cầu Extradosed, trong quá trình khai thác sử dụng thường có những hư hỏng ớ các bộ phận sau:
2.1.1 Đối với hệ thống mặt cầu:
Các hư hỏng thường gặp:
+ Lớp phủ mặt cầu: bị nứt, bong bật, mặt cầu có ổ gà xe qua lại không êm thuận;
+ Lề người đi, dải phân cách và hệ thống lan can: vỡ bê tông lề bộ hành, thanh ngang, cột đứng, …
+ Khe co giãn, hệ thống chiếu sáng: hư hỏng, sụt lún khe co dãn, hư hỏng hệ thống điện chiếu sáng
+ Trám vá những chỗ bê tông bị vỡ;
+ Thay thế hoặc sửa chữa các thanh lan can hư hỏng và khe co giãn hư hỏng,
2.1.2 Đối với kết cấu nhịp cầu:
Các hư hỏng thường gặp:
+ Nứt bê tông: các vết nứt thẳng thường xuất hiện ở vùng kéo có momen uốn lớn; vết nứt xiên thường xuất hiện ở những mặt cắt có momen uốn và lực cắt cùng lớn; vết nứt nằm ngang thường xuất hiện ở những đoạn dầm có lực cắt lớn tại vị trí tiếp giáp giữa sườn dầm và cánh dầm; vết nứt cục bộ thường xuất hiện trên gối hoặc ở chỗ liên kết cánh dầm, liên kết ngang dầm, đầu neo cáp dự ứng lực
+ Vết nứt do co ngót;
+ Vết nứt do gỉ cốt thép;
+ Đứt cáp dự ứng lực ngang: hiện tượng này làm xuất hiện các vết nứt trên mặt đường xe chạy dọc theo khe tiếp giáp giữa các cánh dầm lắp ghép;
+ Bê tông bị phong hóa, bị suy giảm chất lượng: thường xảy ra ở những vị trí ẩm ướt, ở những vị trí tiếp giáp với nước thường xuyên; a Một số vết nứt sườn và bản nắp dầm chủ
HV: Ngô Thành Ý 11 MSHV: 7140086 b Một số vết nứt tại vị trí vách neo Hình 2 1 Một số dạng vết nứt trên dầm cầu
Hình 2.2 Ụ neo cáp bị nứt Biện pháp khắc phục:
+ Với các vết nứt bê tông: theo dõi sự phát triển của vết nứt để xác định nguyên nhân nứt và tiến hàm trám vá lại các vết nứt;
+ Với hiện tượng đứt cáp dự ứng lực ngang: cần có giải pháp thiết kế để sửa chữa kịp thời
Các hư hỏng thường gặp:
+ Gối cao su không còn đàn hồi do cao su bị lão hóa, khi đó gối sẽ hạn chế những chuyển vị của kết cấu;
+ Gối nghiêng, lệch, nứt, bị xé rách, …
Hình 2.3 Một số dạng hư hỏng ở gối cầu a) Gối cập kê, nứt bệ kê gối; b) và c) Gối dịch chuyển quá giới hạn cho phép; d) Gối bị xé rách tấm cao su
Hình 2.4 Gối cầu có hiện tượng bị nghiêng, bẹp gối Biện pháp khắc phục:
+ Thời xuyên dọn sạch đất cát trên xà mũ mố, trụ để không ảnh hưởng đến gối cầu;
+ Định kỳ bôi mỡ cho gối cầu;
+ Lập kế hoạch sửa chữa lớn hoặc thay thế gối khi cần thiết
+ Nứt ở thân mố, trụ và xà mũ, tháp;
+ Nghiêng, lệch do lún hoặc xói cục bộ;
+ Lún sụt bản quá độ;
+ Hư hỏng trụ chống va xô
+ Đối với các vết nứt: theo dõi sự phát triển của vết nứt, bơm vữa, bơm keo hoặc trám vá vết nứt sau khi đã đục rộng mép vết nứt;
+ Trường hợp xói lở: đóng cọc rọ đá, ngăn chặn không cho xói lở, …
Hình 2.5 Một số dạng vết nứt trên thân mố
Hình 2.6 Một số dạng vết nứt trên thân trụ
2.1.5 Hư hỏng cáp dây văng:
+ Hư hỏng phần mặt ngoài của dây văng, phần nối tiếp giữa ống bọc cáp và ống thép neo cáp vào dầm;
+ Hư hỏng hệ thống neo cáp;
+ Hư hỏng khả năng chịu mỏi của cáp, sau 25 năm cần mở ống bọc cáp để kiểm tra, trường hợp cần thiết có thể lấy mẫu để kiểm tra
+ Dây văng bị sét, bong tróc lớp mạ kẽm; hỏng lớp vỏ bọc HDPE, ;
+ Tụt neo, đứt cáp dây văng,
Hình 2.7 Hư hỏng lớp vỏ bọc dây văng - Giải pháp khắc phục:
+ Đối với trường hợp dây văng bị sét, bong tróc lớp mạ kẽm; hỏng lớp vỏ bọc HDPE, Dùng bàn chải sắt chải sạch lớp sơn bong lột hoặc bị gỉ sét, sơn lại bằng loại sơn có chứa kẽm trên bề mặt bị hư hại Loại sơn này phải phù hợp với bề mặt mạ và hệ thống sơn;
+ Đối với trường hợp tụt neo, đứt cáp dây văng, cần phải kiểm tra kỹ và có thiết kế thay thế.
Ngoài ra trong quá trình khai thác sử dụng, chúng ta phải kiểm tra để đảm bảo khắc phục kịp thời những hư hỏng, bao gồm:
+ Kiểm tra đột xuất: đây là công tác kiểm tra không định kỳ được tiến hành sau những hiện tượng thiên nhiên hoặc sự cố có thể có tác động xấu đến công trình như lũ lụt, động đất, hỏa hoạn, tai nạn giao thông,
+ Kiểm tra thường xuyên: kiểm tra được tiến hành định kỳ có thể 03 tháng, 06 tháng hoặc 01 năm;
+ Kiểm tra chi tiết: đây có thể là kiểm tra định kỳ cho cầu lớn, nhưng với thời gian dài hơn so với kiểm tra thường xuyên, chẳng hạn 05 năm một lần, nhưng cũng có thể không định kỳ chẳng hạn như sau khi kiểm tra thường xuyên phát hiện cầu có nhiều hư hỏng mà kiểm tra thường xuyên không đánh giá đầy đủ, hoặc kiểm tra để tăng cường, sửa chữa cầu,
Một số nguyên nhân đứt cáp dây văng và biện pháp thay thế
2.2.1 Nguyên nhân gây đứt cáp dây văng: a Nguyên nhân do va chạm:
Sự va chạm có thể do các phương tiện lưu thông trên cầu đâm trực tiếp vào các dây văng hoặc các phương tiện lưu thông dưới cầu như xà lan, tàu thuyền, xe cộ
Hình 2.8 Hư hỏng dây văng do va chạm
Vụ va chạm xảy ra vào tháng 2 năm 1998, một máy bay quân sự Mỹ (EA 6B Prowler) va chạm vào cáp cầu dây văng ở Ý (Cavalese Cable Car) đã làm đứt một dây cáp gây thiệt hại lớn cả về người và tài sản
Vụ va chạm tại cầu Ching Chau Min Jiang - Hồng Kông vào tháng 6 năm 2001 do một cơn bão đi qua khu vực này đã gây ra vụ va xà lan có trọng tải 1000T cùng cần cẩu đâm trực diện vào cầu và dây văng, hỏng làm giảm khả năng chịu lực đáng kể cho cầu mà từ đó phải thay thế những cáp này để đảm bảo an toàn cho kết cấu Ở nước ta vụ tai nạn diễn ra tại Cầu Bính - Hải Phòng xảy ra vào đêm 17/7/2010 do cơn bão đổ bộ vào Hải Phòng Ba chiếc tàu với trọng tải lớn đang neo đậu trên sông Cấm, thành phố Hải Phòng bị gió bão giật đứt dây neo tàu, trôi dạt trên sông sau đó cùng lúc va đập mạnh đâm vào thành cầu Bính, làm vỡ bê tông thành cầu, dầm thép chủ bị cong vênh, lan can bị hư hỏng và đặc biệt 2 bó cáp bị hư hỏng
Hình 2.9 Va chạm tại cầu Bính – Hải Phòng
HV: Ngô Thành Ý 15 MSHV: 7140086 b Nguyên nhân do thi công: Đây cũng là một nguyên nhân quan trọng dẫn tới việc đứt cáp Ở đây lỗi hay mắc phải đó là việc đóng nêm chưa đảm bảo kỹ thuật và an toàn đặt ra
Trong suốt quá trình thi công cũng như khai thác, các dây cáp văng luôn dao động cũng như chịu tác dụng của tải trọng di động Những tác dụng động này có thể làm cho các tao cáp bị trượt khỏi đầu neo
Những hiện tượng này thường xuyên xảy ra đối với những cầu có mặt cầu mềm Những thí nghiệm chuyên sâu đã chỉ ra rằng, nêm giữ cáp có nguy cơ bị trượt khi lực căng trong mỗi tao cáp không quá lớn so với lực giới hạn và khi có lực xung kích tác dụng
Trong suốt quá trình thi công, lực trong dây văng thay đổi với biên độ lớn: từ nhỏ nhất đến lớn nhất do quá trình di chuyển xe đúc, căng kéo các dây văng ở liền kề, vận chuyển vật liệu trên mặt cầu
Từ đó gây ra hiện tượng tuột neo, tuột cáp làm ảnh hưởng tới khả năng chịu lực của dầm, tháp, các cáp lân cận và gây mất ổn định cho toàn kết cấu
Việc thi công không đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật tại vị trí neo cáp gây ra dò rỉ nước vào thiết bị neo dẫn tới đứt cáp tại vị trí neo
Sự việc này đã diễn ra ở một số cầu như cầu Luling ở Lousiana - Mỹ Tuy cây cầu này đã được xây dựng khá lâu (năm 1983) nhưng hiện tượng bị xâm thực bởi nước mưa vào vị trí neo cáp cũng đã diễn ra từ lâu, nếu không phát hiện kịp thời và sửa chữa thì đứt cáp sẽ là điều tất yếu
Hình 2.10 Sự cố neo cáp bị ăn mòn bởi nước mưa c Các nguyên nhân khác:
Thiết kế không đảm bảo được hết các điều kiện như về chịu lực, sức kháng mỏi đối với cáp Một số các trường hợp đặc biệt như sự vượt tải trong tương lai, động đất, gió bão cũng là những nguyên nhân dẫn tới bị đứt cáp; cháy, sét đánh, …
2.2.2 Biện pháp thay thế cáp dây văng:
Một trong những biện pháp thay thế dây văng đang được nghiên cứu và áp dụng hiện nay là sử dụng cáp tạm thời Phương pháp này đã được áp dụng cho cầu Hale Boggs (Louisiana)
Toàn bộ 72 dây cáp phải thay thế sau 25 năm sử dụng do bị thời tiết ăn mòn Thông thường, cầu dây văng hay cầu Extradosed được thiết kế có thể chịu được một dây văng bị hư hỏng, với giả thiết các dây văng còn lại đều trong tình trạng tốt Tuy nhiên, khảo sát thực tế chỉ ra rằng các dây văng còn lại cũng không chắc chắn đảm bảo an toàn Do đó, toàn bộ dây văng cầu Hale Boggs đã được thay thế trong khi vẫn đảm bảo giao thông, bằng cách sử dụng các cáp tạm thời để xả lực căng cho dây văng Cáp tạm được neo vào các dầm dọc gối trên các dầm ngang tại mặt cầu (hình 2.7) và lắp đặt thiết bị cố định yên ngựa trên đỉnh trụ tháp (hình 2.8)
Hình 2.11 Cáp tạm được neo tại mặt cầu (Mehrabi et al 2006)
Hình 2.12 Cáp tạm được neo tại trụ tháp (Mehrabi et al 2006) Đơn vị thi công tiến hành các thao tác:
- Sử dụng cáp tạm thời đỡ bằng các dầm dọc và dầm ngang
- Giảm dần lực căng trong dây hiện tại và gỡ bỏ
HV: Ngô Thành Ý 17 MSHV: 7140086 Điểm nổi bật của phương pháp này là hệ thống đỡ làm việc hoàn toàn độc lập, trong quá trình thay cáp, xe cộ vẫn được lưu thông bình thường Dây cáp mới được đưa lên bằng hệ thống kẹp ma sát (friction clamp).
Tổng quan về đề tài nghiên cứu
Do ưu điểm vượt trội của cầu Extradosed, nên hiện nay các nhà thiết kế cầu có xu hướng chọn kết cấu nhịp extradosed như là một giải pháp tối ưu Hiện nay đối với Việt Nam, công tác duy tu bảo dưỡng cầu dây văng nói chung và cầu Extradosed nói riêng chưa được nghiên cứu nhiều Đặc biệt là đối với vấn đề bảo dưỡng duy tu hệ thống dây văng, khi hệ thống dây văng bị đứt hoặc hư hỏng thì ảnh hưởng rất lớn đến khả năng khai thác của cầu
Tuy nhiên hiện nay, trong nước cũng như trên thế giới chưa có những nghiên cứu cụ thể nào về đánh giá về ảnh hưởng của việc đứt cáp dây văng đến tải trọng khai thác của cầu Extradosed Gần đây hai tác giả Chin - Sheng Kao và Chang-Huan Kou với bài báo “The influence of broken cables on the structural behavior of long-span cable-stayed bridges” đã đăng trên Tạp chí khoa học công nghệ Hàng hải Trung Quốc” xuất bản năm 2010, nội dung đề tài cũng chỉ giới hạn của việc nghiên cứu ứng xử của cầu đối với các trường hợp đứt cáp dây văng với tổ hợp tải trọng bản thân, không xét đến hoạt tải Đề tài tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của việc đứt cáp hoặc thay thế cáp dây văng đến tải trọng khai thác của cầu Điện Biên Phủ tuyến Metro số 1 là một dạng cầu Extradosed có khẩu độ nhịp tương đối lớn, nhằm có một cái nhìn tổng thể hơn về ứng xử của cầu trong trường hợp rủi ro đứt cáp dây văng hoặc cáp dây văng bị hư hỏng nặng cần thay thế Kết quả nghiên cứu, là một tài liệu tham khảo trong quá trình quản lý khai thác cầu, nhằm đưa ra quyết định bảo dưỡng hoặc thay thế cáp dây văng một cách kịp thời, đảm bảo ổn định công trình trong quá trình khai thác sử dụng Đồng thời cũng đưa ra những kiến nghị về điều tiết giao thông qua cầu trong trường hợp bị sự cố đứt cáp tránh trường hợp gây mất ổn định cầu
Giới thiệu chung cầu Điện Biên Phủ
Cầu Điện Biên Phủ thuộc dự án Metro số 1 tuyến Bến Thành – Suối Tiên Cầu vượt đường Điện Biên Phủ với tĩnh không h=1,75m Chủ đầu tư dự án là UBND Tp.HCM Dự án gồm có liên danh SCC (Sumitomo và Cienco6) là nhà thầu chính thi công; đơn vị thiết kế là Công ty Systra (Pháp); thi công phần cáp văng là Công ty Freyssinet (Pháp)
Hình 3.1 Mặt cắt dọc cầu
- Loại cầu : Cầu bê tông dự ứng lực dầm hộp và dầm U (đúc tại chỗ)
- Chiều rộng dầm : 11,74m - Phương pháp thi công : Phương pháp nhịp hẫng cân bằng - Chiều cao dầm : 2,500m ~ 2,050m
Các thông số về vật liệu:
- Cáp Extradosed bao gồm hệ cáp song song (PSS), sử dụng loại bó 19T15
- Các đặc tính bó cáp: Đường kính danh định của tao cáp 15,7 mm Tiết diện ngang danh định của tao cáp 150 mm 2 Trọng lượng danh định của tao cáp 1,172 kg/m Cường độ chịu kéo cực hạn của tao cáp, fpu 1.860 MPa
Giới hạn chảy của tao cáp, fpy 1.670 MPa
Bảng 3.1 Đặc tính bó cáp dây văng
- Ứng suất kích : 0,75 x fpu = 1.395 MPa
- Cường độ bê tông sử dụng: ã Kết cấu phần trờn (dầm, trụ thỏp) : 50 MPa ã Đài cọc : 35 MPa ã Thõn trụ, xà mũ trụ : 40 MPa
HV: Ngô Thành Ý 19 MSHV: 7140086 - Ứng suất cho phép trước mất mát là như sau: ã Ứng suất nộn cho phộp : 0,60 x f’ci = 24,0 MPa ã Ứng suất kộo cho phộp : 0,25 x √f’ci = 1,58 Mpa - Ứng suất cho phép tại trạng thái giới hạn khai thác sau mất mát như sau: ã Ứng suất nộn cho phộp : 0,60 x f’c = 30,0 MPa ã Ứng suất nộn cho phộp do tải trọng cố định : 0,45 x f’c = 22,5 MPa
Hình 3.2 Mặt cắt ngang dầm tại trụ tháp
Hình 3.3 Mặt cắt ngang dầm tại nhịp trung gian
Hình 3.4 Mặt cắt ngang dầm tại nhịp giữa - Mặt cắt dọc:
Hình 3.5 Mặt cắt dọc nhịp biên 1
Hình 3.6 Mặt cắt dọc nhịp chính 1
Hình 3.7 Mặt cắt dọc nhịp chính 2
Hình 3.8 Mặt cắt dọc nhịp biên 2
Hình 3.9 Mặt cắt dọc và mặt cắt ngang trụ cầu
HV: Ngô Thành Ý 22 MSHV: 7140086 - Hình dáng trụ tháp:
Hình 3.10 Mặt cắt dọc và mặt cắt ngang trụ tháp
Hình 3.11 Mặt cắt dọc bố trí dây văng
Tĩnh tải (DL): Tĩnh tải được phần mềm tính tự động với tỷ trọng 25kN/m 3 Tĩnh tải bổ sung (SIDL):
- SIDL trên nhịp thứ 3 (vị trí đường ray giao cắt): 104 kN/m
- SIDL trên các nhịp còn lại: 80 kN/m
Hình 3.12 Mô hình xe đúc Trong hồ sơ thiết kế kỹ thuật (TKKT) được duyệt, xe đúc được thiết kế với tải trọng FPT
Trong hồ sơ thiết kế kỹ thuật (TKKT) điều chỉnh, xe đúc được thiết kế với tải trọng FuT
Tải trọng dự ứng lực (PS):
Cáp dự ứng lực (DUL) trong dầm tuân theo tiêu chuẩn ASTM A416M cấp 270 đường kính tao 15.24mm như bảng sau: Đường kính danh định (mm)
Giới hạn bền fpu (MPa)
Giới hạn chảy fpy (MPa)
Mô đun đàn hồi Ep
Bảng 3.2 Đặc tính cáp dự ứng lực trong dầm Theo hồ sơ TKKT được duyệt ban đầu, sơ đồ bố trí cáp dự ứng lực trong dầm như sau:
Hình 3.13 Sơ đồ bố trí cáp dự ứng lực trong dầm (1)
(Xem chi tiết trong Phụ lục 1)
TENDON / BÓ CÁP LOCATION VỊ TRÍ TENDON SIZE
TỔNG SỐ BÓ CÁP TOTAL NO OF TENDON
15.24mm-12EA 10 x 2 x 3 = 60EA C1 TO C4 & C6 TO C11
BOTTOM / ĐÁY 15.24mm-7EA 6 x 2 x 3 = 36EA C24 TO C29
TOP / ĐỈNH 15.24mm-19EA 2 x 2 x 2 = 8EA C13 & C14
BOTTOM / ĐÁY 15.24mm-19EA 3 x 2 x 2 = 12EA C21 TO C23
STRAIGHT / THẲNG CONTINUOUS / LIÊN TỤC 15.24mm-19EA 2 x 2 x 1 = 4EA C12A & C12B
SPARE TENDON FOR CONSTRUCTION BÓ CÁP DỰ PHÒNG THI CÔNG CONTINUOUS / LIÊN TỤC 15.24mm-7EA 2 x 2 x 1 = 4EA C51 & C52
CANTILEVER SPAN NHỊP HẪNG TOP ĐỈNH
LATERAL SPAN NHỊP BIÊN TOP ĐỈNH
Bảng 3.3 Thông số cáp dự ứng lực trong dầm (1) Theo hồ sơ TKKT điều chỉnh, sơ đồ bố trí cáp dự ứng lực trong dầm như sau:
Hình 3.14 Sơ đồ bố trí cáp dự ứng lực trong dầm (2)
(Xem chi tiết trong Phụ lục 2)
TENDON / BÓ CÁP LOCATION VỊ TRÍ TENDON SIZE
TỔNG SỐ BÓ CÁP TOTAL NO OF TENDON
15.24mm-12EA 10 x 2 x 3 = 60EA C1 TO C4 & C6 TO C11
BOTTOM / ĐÁY 15.24mm-7EA 6 x 2 x 3 = 36EA C24 TO C29 TOP / ĐỈNH 15.24mm-19EA 2 x 2 x 2 = 8EA C13 & C14
15.24mm-19EA 2 x 2 x 1 = 4EA C41 & C42 BOTTOM / ĐÁY 15.24mm-19EA 3 x 2 x 2 = 12EA C21 TO C23 STRAIGHT / THẲNG CONTINUOUS / LIÊN TỤC 15.24mm-19EA 2 x 2 x 1 = 4EA C12A & C12B
SPARE TENDON FOR CONSTRUCTION BÓ CÁP DỰ PHÒNG THI CÔNG CONTINUOUS / LIÊN TỤC 15.24mm-7EA 2 x 2 x 1 = 4EA C51 & C52 CANTILEVER SPAN NHỊP HẪNG TOP ĐỈNH
LATERAL SPAN NHỊP BIÊN TOP ĐỈNH
Bảng 3.4 Thông số cáp dự ứng lực trong dầm (2)
Tải trọng dây văng (PS):
Cáp dây văng tuân theo tiêu chuẩn ASTM A416M cấp 270 đường kính tao 15.7mm Đường kính danh định (mm)
Giới hạn bền fpu (MPa)
Giới hạn chảy fpy (MPa)
Mô đun đàn hồi Ep
Bảng 3.5 Đặc tính cáp dự ứng lực dây văng Ứng suất kích : 0,75*fpu = 0,75*1860 = 1.395 (MPa) Ứng suất cho phép (giai đoạn cường độ) : 0,65*fpu = 0,65*1860 = 1.209 (MPa) Ứng suất cho phép (giai đoạn sử dụng) : FSLS lấy theo tiêu chuẩn SETRA – Pháp
FSLS (MPa) Ứng suất cho phép tối đa trong cáp ở giai đoạn khai thác DFFreq (MPa) Chênh lệch ứng suất trong dây văng do hoạt tải
Fguts Ứng suất căng kéo tới hạn Sơ đồ bố trí cáp dây văng:
Hình 3.15 Sơ đồ bố trí cáp dây văng trên trụ DBP2
Hình 3.16 Sơ đồ bố trí cáp dây văng trên trụ DBP3
Hình 3.17 Sơ đồ bố trí cáp dây văng trên trụ DBP4
Lực căng lý thuyết sau cùng trong dây văng sau khi hợp long:
Hình 3.18 Sơ đồ bố trí lực căng trong dây văng trên trụ tháp DBP2
Hình 3.19 Sơ đồ bố trí lực căng trong dây văng trên trụ tháp DBP3
Hình 3.20 Sơ đồ bố trí lực căng trong dây văng trên trụ tháp DBP4
Tên dây văng Vị trí Trụ Element Lực căng (kN) (*)
Tên dây văng Vị trí Trụ Element Lực căng (kN) (*)
(*) Tên dây văng trong bước TKKT được duyệt ban đầu Bảng 3.6 Lực căng lý thuyết trong dây văng sau khi hợp long
Co ngót và từ biến:
Co ngót và từ biến của bê tông được xem xét tự động bằng phần mềm theo tiêu chuẩn CEB-FIB Độ ẩm trung bình là 80%
Hoạt tải: số lượng toa mỗi tàu: tối đa là 6 toa
Hình 3.21 Sơ đồ tải trọng trục xe của một toa tàu điện
Theo DSRSC-CS 4.4.4 “Tải trọng xung kích”, đối với khung và dầm liên tục, nhịp Lb phải được coi như có giá trị trung bình của mỗi nhịp, khi các nhịp có thể không giống nhau và nhịp tối thiểu có thể hơn 70% nhịp tối đa Do đó, Lb trung bình, tĩnh tải trên mỗi đơn vị chiều dài và độ cứng uốn trung bình của cấu kiện được sử dụng để tính hệ số xung kích
Hình 3.22 Hệ số xung kích
Tải trọng gió trên kết cấu (WS):
Tải trọng gió trên phương tiện (WL):
Lực ngang tuyến tính 1.50 kN/m được áp dụng ở trọng tâm của tàu (1.8m từ cao độ ray)
Các trường hợp phân tích, nghiên cứu
3.2.1 Đặc điểm cần nghiên cứu:
Do một số tính chất đặc biệt của cầu Điện Biên Phủ (DBP) nên hướng nghiên cứu phân tích của đề tài sẽ phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Do đặc tính của cáp dây văng: § Các cặp dây văng đối xứng nhau qua đỉnh trụ tháp có lực căng không bằng nhau § Ở mỗi đầu dây văng tại đỉnh trụ tháp được cố định vào đỉnh trụ tháp (không xảy ra trượt giữa trụ tháp và các cáp dây văng)
- Do tải trọng cầu bất đối xứng (tải trọng cộng thêm SIDL tại nhịp 3 lớn hơn các nhịp còn lại) Do đó, nội lực trong các sợi dây văng tại trụ tháp DBP4 là lớn nhất
Hình 3 23 Sơ đồ bố trí chuyển làn trên nhịp chính 3
- Do thay đổi tải trọng xe đúc từ 50T lên 75T trong quá trình thi công, cũng như tăng số lượng bộ xe đúc từ 2 bộ lên 3 bộ Ban đầu, hồ sơ TKKT được phê duyệt với tải trọng xe đúc dùng trong thi công đúc hẫng là 50T với 2 bộ xe đúc sử dụng đồng thời Sau khi hoàn tất việc thi công kết cấu phần dưới, một số vấn đề rắc rối đã nảy sinh Để giả quyết các vấn đề phát sinh, nhà thầu đã phải chuyển sang dùng xe đúc loại 75T và tăng số lượng xe đúc lên thành 3 bộ Do đó, để đảm bảo kết cấu đủ chịu lực trong quá trình thi công dầm đúc hẫng, hồ sơ TKKT đã được điều chỉnh lại bằng cách tăng lực căng trong dây văng và tăng số lượng cáp dự ứng lực trong dầm Từ đó đã làm tăng ứng suất trong dây văng
3.2.2 Các sơ đồ cần phân tích:
- Sơ đồ cầu làm việc bình thường
- Sơ đồ cầu khi một dây văng đơn bất kỳ không làm việc (8 sơ đồ trên 1 trụ tháp x 3 trụ tháp)
- Sơ đồ cầu khi hai dây văng đơn cùng một vị trí và cùng một mặt phẳng không làm việc (4 sơ đồ trên 1 trụ tháp x 3 trụ tháp)
- Sơ đồ cầu khi một cặp dây văng đôi cùng một mặt phẳng hoặc khác mặt phẳng không làm việc (4 sơ đồ trên 1 trụ tháp x 3 trụ tháp)
Hình 3.24 Sơ đồ lực căng trong dây văng trước khi bị đứt
Hình 3.25 Sơ đồ lực căng khi 1 sợi dây văng đơn bị đứt
Phương pháp phân tích, nghiên cứu
Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của máy tính, phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp được ứng dụng nhiều nhất để phân tích kết cấu Phương pháp phần tử hữu hạn xuất hiện vào những năm 1940 khi máy tính còn trong buổi sơ khai và phương pháp này phát triển mạnh vào những năm của thập niên 60 cùng với việc phát triển ngày càng mạnh của máy tính So với các phương pháp số học khác, một trong những ưu thế của phương pháp này là lập trình để dùng trên máy Nó tạo ra thuận lợi trong việc tự động tính toán các số liệu với nhiều loại kích thước, hình dạng, vật liệu, điều kiện biên khác nhau… Ngày nay, phương pháp phần tử hữu hạn ngày càng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như kỹ thuật công trình, cơ khí, truyền nhiệt, thấm, trường điện thế, điện từ, cơ chất lỏng… và được xem như là một phương pháp hữu hiệu nhất trong việc giải các bài toán trong môi trường liên tục và rời rạc Đây là một phương pháp số đặc biệt có hiệu quả để tìm dạng gần đúng của một hàm chưa biết trong miền xác định của nó a) Giả thuyết tính toán:
- Vật liệu là đàn hồi dẻo lý tưởng
- Sự gia tăng ứng suất được tính theo lý thuyết Prandtl - Reuss và Tiêu chuẩn chảy dẻo Von - Mises b) Ma trận gia tăng độ cứng của dầm, trụ tháp và cáp văng:
Ma trận gia tăng độ cứng của dầm, trụ tháp:
Theo Tiêu chẩn chảy dẻo Von - Mises, ta có ứng suất thể hiện như sau:
2 3 2 s y = s + t , s y là trục ứng suất chảy dẻo tiêu chuẩn (3.1)
Theo lý thuyết gia tăng ứng suất Prandtl - Reuss, sự gia tăng ứng suất chính Dsvà ứng suất cắt Dt được thể hiện như sau:
Với B E= s 2 +9Gs 2 ; ta có ma trận gia tăng ứng suất trong trạng thái đàn dẻo, được thể hiện như sau:
D D D é ù= -é ù ở ỷ ở ỷ (3.5) Áp dụng công thức Largrang, ta có phương trình
Trong đú ộởK ep ựỷ e và [ ] K G e là ma trận độ cứng đàn dẻo và ma trận độ cứng hỡnh học tương ứng, được xác định như sau:
Trong đó [ ] B L và [ ] G là hai ma trận độ cứng quan hệ giữa biến dạng và chuyển vị, s 0 ộ ựở ỷ là ma trận của cỏc ứng suất trước
Ma trận gia tăng độ cứng của phần tử cáp:
Phần tử cáp dây văng được biểu diễn như hình vẽ, ta xem cáp làm việc như phần tử cong với n nút, sự gia tăng chuyển vị của nó được biểu diễn dưới phương trình sau:
Trong đó X(s) và X e là hai ma trận vector lực nội bộ của phần tử và nút, D u e là vector gia tăng chuyển vị nút, [N] là ma trận hàm dạng
Sự gia tăng biến dạng D e L của cáp được thể hiện như sau:
N u n u s u t s s s e ộổảD ử ổảD D ử ự D = ờờởỗố ả ữứ +ỗố ả - ả ữứ ỳỳỷ (3.11) Do đó, các ma trận [BL] và [G] được tính như sau:
Trong đó R là bán kính cong của cáp, J là ma trận Jacobian, N1 và Nn là các ma trận bổ sung Largangian, e hệ số ảnh hưởng, r là vector vị trí của cáp
Ta có ma trận gia tăng độ cứng của cáp:
(3.17) Với A E c , c là độ cứng dọc trục của cáp và T 0 là lực căng trước trong cáp
Giải phương trình phi tuyến: Sử dụng phương pháp lặp Newton - Raphon để giải phương trình Tác giả sử dụng chương trình Midas civil/2011 để khảo sát, phân tích nghiên cứu
MIDAS/Civil là một hệ thống chương trình hỗ trợ phân tích và thiết kế kết cấu của MIDAS IT, Hàn Quốc Trong dòng các chương trình phân tích kết cấu hiện nay, MIDAS/Civil nổi lên như là một chương trình có khả năng tính toán tốt, có giao diện người dùng thân thiện, dễ sử dụng, tính chính xác cao, đặc biệt là được ứng dụng cho rất nhiều công trình thực tế trên thế giới Vì vậy luận văn quyết định lựa chọn phần mềm Midas Civil 2011 phiên b ả n 2.1 để tiến hành mô hình hóa và phân tích kết cấu trong các trường hợp nghiên cứu
3.3.3 Trình tự phân tích: v Sau khi xem xét các tính chất đặc biệt của cầu trong hồ sơ thiết kế kỹ thuật và hồ sơ thiết kế kỹ thuật điều chỉnh, nhận thấy ứng suất trong cáp dây văng đã tăng khá lớn (hệ số lớn nhất khoảng 0.996 ~ 1.0) Do đó, trong phạm vi đề tài của mình, tác giả sẽ tập trung nghiên cứu ứng suất trong dây văng trong giai đoạn sử dụng khi bị đứt cáp
Từ đó, đưa ra kết quả ảnh hưởng của ứng suất và chuyển vị trong dầm, cũng như sự ổn định chung của cầu v Bước đầu tiên, đề tài sẽ nghiên cứu trường hợp đứt từng sợi dây văng đơn lẻ Do lực căng trong dây văng là đối xứng nhau qua tim dọc cầu (E đối xứng E’, F và F’, G và G’) nên chỉ cần xét một nửa cầu Nhưng do lực căng trong từng dây văng theo phương dọc cầu là không giống nhau nên phải xét toàn bộ dây văng từ E1~E4, F1~F4 và G1~G4 Tổng cộng có 8 dây x 3 trụ tháp = 24 trường hợp cần xét v Trong bước thứ 2, đề tài sẽ tiếp tục nghiên cứu trường hợp đứt 02 sợi dây văng cùng vị trí đối xứng qua trụ tháp, ví dụ đứt 1 sợi đôi (2 sợi đơn E1 đối xứng qua trụ tháp DBP2) Tổng cộng có 4 cặp dây x 3 trụ tháp = 12 trường hợp v Trong bước thứ 3, tương tự như bước thứ 2 nhưng số lượng cặp dây văng được tăng lên là 02 cặp trong 1 trụ tháp để nghiên cứu ứng xử tới hạn của cầu Tổng cộng có 4 cặp dây x 3 trụ tháp = 12 trường hợp v Đối với trường hợp thay cáp, các trường hợp thay 1 dây đơn (như bước 1) sẽ được xem xét Tổng cộng sẽ có 24 trường hợp cần xét
3.3.4 Mô hình phân tích, nghiên cứu: a) Mô hình trong Midas:
Mô hình kết cấu được phân tích bao gồm:
+ Phần tử thanh được xem xét
+ Dây văng được mô hình như thanh dàn (struss) Dây văng liên kết với trụ tháp thông qua yên ngựa Hai bên trụ tháp, dây văng được liên kết cứng với trụ tháp (không xảy ra hiện tượng trượt trên trụ tháp) Trên dầm, dây văng được liên kết với dầm bằng liên kết đàn hồi
+ Trụ tháp được liên kết cứng với hệ dầm Toàn bộ kết cấu nhịp bên trên được truyền xuống kết cấu bên dưới thông qua gối đàn hồi
+ Đài cọc được xem như kết cấu cứng sử dụng liên kết ngàm
Cầu có tất cả 3 trụ tháp (trụ tháp DBP2, DBP3, DBP4) và 4 nhịp Extradosed
Hình 3.27 Mặt cắt dọc cầu
Hình 3.29 Mặt cắt dọc cầu nhịp 1
Hình 3.30 Mặt cắt dọc cầu nhịp 2
Hình 3.31 Mặt cắt dọc cầu nhịp 3
Hình 3.32 Mặt cắt dọc cầu nhịp 4
Hình 3.33 Sơ đồ bố trí gối cầu
Kx Ky Kz Rotx Roty Rotz
(kN/m) (kN/m) (kN/m) (kNm/rad) (kNm/rad) (kNm/rad)
Trụ Vị trí gối DBP1
Bảng 3.7 Thông số độ cứng gối Trong đó: x = phương dọc cầu; y = phương đứng; z = phương ngang cầu
Phương đứng Dọc cầu Ngang cầu Dọc cầu Ngang cầu
Chuyển vị (mm) Trụ Vị trí gối
DBP1 DBP2 DBP3 DBP4 DBP5
Tải trọng thi ết kế giai đoạn sử dụng (kN)
Bảng 3.8 Tải trọng và chuyển vị giới hạn của gối cầu b) Tải trọng phân tích, nghiên cứu:
Theo yêu cầu thiết kế cầu dây văng PTI Recommendations for stay cable design, testing and installation (xuất bản tháng 10/2007 của Ủy ban cầu dây văng Mỹ), hệ số tải trọng đối với các trường hợp đứt cáp và thay cáp, như sau:
Tổ hợp tải trọng DL SIDL LL** + I LL* + I WS+
Bảng 3.9 Hệ số tổ hợp tải trọng LL**: Hoạt tải tàu điện chạy trên hai làn
LL* : Hoạt tải tàu điện chạy trên một làn c) Kiểm tra ứng suất dây văng: Ứng suất trong dây văng cầu Extradosed ở trạng thái giới hạn sử dụng phải thỏa mãn:
FSLS (MPa) Ứng suất cho phép tối đa trong cáp ở giai đoạn khai thác DFFreq (MPa) Chênh lệch ứng suất trong dây văng do hoạt tải
Nstrands Số lượng các tao cáp trong dây văng
Astrands Diện tích 1 tao cáp
FMAX (MPa) Ứng suất lớn nhất trong các tao cáp trong giai đoạn sử dụng Nenv210/220 (MN) Lực căng lớn nhất trong cáp trong giai đoạn sử dụng
Fguts Ứng suất căng kéo tới hạn
Kết quả phân tích, nghiên cứu
3.4.1 Trường hợp đứt cáp dây văng:
3.4.1.1 Trường hợp dây văng chưa bị hư hỏng, làm việc bình thường a Trong hồ sơ TKKT được duyệt ban đầu : Trong TKKT này, giai đoạn thi công được thiết kế với tải trọng xe đúc 50T ỉ Kết quả kiểm tra ứng suất trong dõy văng như bảng sau:
Bảng 3.10 Ứng suất của dây văng trong hồ sơ TKKT
Kết quả kiểm tra cho thấy ứng suất trong dây văng tại trụ DBP4 là lớn nhất, đặc biệt là hai dây văng ngắn nhất kế trụ tháp là G1 và G2:
Tên dây văng trong hồ sơ TKKT
Tên dây văng trong hồ sơ TKKT điều chỉnh Trụ tháp Fmax/FSLS
N stay F min (MN) F max (MN) F diff (MN) N strands DF freq (Mpa) F SLS (Mpa) F SLS (%GUTS) N env 210
(MN) F MAX (Mpa) % GUTS Fmax/F SLS
453 G2'_TS8 DBP4 0,96 ỉ Kết quả kiểm tra ứng suất trong dầm như sau : Ứng suất nén giới hạn = 0,6f’c = 0,6x50 = 30 (MPa) Ứng suất kộo giới hạn = 0.25ệf’c = 0.25ệ50 = 1,77(MPa)
Biểu đồ 1 Ứng suất của dầm trong hồ sơ TKKT
Kết quả cho thấy ứng suất nộn lớn nhất ằ 20,5 MPa < 30 MPa, khụng xuất hiện ứng suất kéo ỉ Kết quả kiểm tra chuyển vị trong dầm:
Theo tiêu chuẩn 2 làn tàu chạy êm thuận (Limit riding comfort) giới hạn chuyển vị của dầm là L/900, theo đó:
+ Chuyển vị giới hạn ở nhịp chính (70m) = L/900 = 70,000/900 = 78 (mm) + Chuyển vị giới hạn ở nhịp biên (45m) = L/900 = 45,000/900 = 50 (mm) Kết quả phân tích cho thấy:
Chuyển vị ở nhịp chính = 65mm < 78mm
Chuyển vị ở nhịp biên = 21mm < 50mm
Biểu đồ 2 Chuyển vị của dầm trong hồ sơ TKKT
HV: Ngô Thành Ý 42 MSHV: 7140086 b Trong hồ sơ TKKT điều chỉnh:
Trong hồ sơ TKKT điều chỉnh, giai đoạn thi công được thiết kế với tải trọng xe đúc là 75T ỉ Kết quả kiểm tra ứng suất trong dõy văng như bảng sau :
Bảng 3.11 Ứng suất của dây văng trong hồ sơ TKKT điều chỉnh
Kết quả kiểm tra cũng cho thấy ứng suất trong hai sợi dây văng ngắn nhất hai bên trụ tháp DBP4 là lớn nhất:
Tên dây văng Trụ tháp Fmax/FSLS
G1'_TS4 DBP4 0.957 ỉ Kết quả kiểm tra ứng suất trong dầm như sau :
Biểu đồ 3 Ứng suất của dầm trong hồ sơ TKKT điều chỉnh Kết quả ứng suất nén lớn nhất là :
Nhịp Ứng suất (MPa) Nhịp 1 -15.1 Nhịp 2 -18.3 Nhịp 3 -18.7 Nhịp 4 -16.8 Ứng suất nén lớn nhất trong nhịp biên (nhịp 1 & 4) khoảng 16,8MPa và nhỏ nhất khoảng 2,4MPa Ứng suất nén lớn nhất trong nhịp chính (nhịp 2 và 3) khoảng 18,7MPa và nhỏ nhất khoảng 10,4MPa Ứng suất nén lớn nhất đều nhỏ hơn ứng suất cho phép (30MPa)
Trong dầm không xuất hiện ứng suất kéo ỉ Kết quả kiểm tra chuyển vị của dầm :
Chiều dài cầu (m) TKKT điều chỉnh
Biểu đồ 4 Chuyển vị của dầm trong hồ sơ TKKT điều chỉnh
Nhịp Chuyển vị (mm) Nhịp 1 -23.7
Nhịp 4 -21.2 Độ vồng lớn nhất ở nhịp chính = 71,6mm < 78mm Độ võng lớn nhất ở nhịp biên = 23,7mm < 50mm
3.4.1.2 Trường hợp đứt 1 sợi cáp dây văng (sợi đơn) a Trường hợp đứt cáp xảy ra trên trụ tháp DBP2:
Luận văn trình bày kết quả chi tiết một trường hợp tiêu biểu đứt 01 dây văn đơn E1_TS1, các trường hợp còn lại đứt 01 dây văng đơn trên trụ tháp DBP2 sẽ được trình bày dưới dạng biểu đồ
Hình 3.34 Sơ đồ đứt 01 sợi dây văng đơn trên trụ tháp DBP2
HV: Ngô Thành Ý 45 MSHV: 7140086 ỉ Kết quả kiểm tra ứng suất trong dõy văng như bảng sau :
Bảng 3.12 Ứng suất trong dây văng khi đứt 1 sợi E1_TS1
F'max : ứng suất trong dây văng trường hợp đứt 01 sợi dây văng đơn Fmax : ứng suất trong dây văng theo hồ sơ TKKT điều chỉnh (chưa đứt cáp) DFmax : (+) chênh lệch ứng suất trong dây văng tăng so với khi chưa đứt cáp (-) chênh lệch ứng suất trong dây văng giảm so với khi chưa đứt cáp
HV: Ngô Thành Ý 46 MSHV: 7140086 ỉ Kết quả kiểm tra ứng suất trong dầm như sau :
Biểu đồ 5 Ứng suất trong dầm khi đứt 1 sợi E1_TS1 Kết quả ứng suất nén lớn nhất là: khi bị đứt khi chưa đứt Ds
Vị trí Ứng suất nén thay đổi không đáng kể khi đứt 01 dây văng đơn E1_TS1 Ứng suất nén lớn nhất trong nhịp biên (nhịp 1 & 4) khoảng 15,7MPa và nhỏ nhất khoảng 2,4MPa Ứng suất nén lớn nhất trong nhịp chính (nhịp 2 và 3) khoảng 16,5MPa và nhỏ nhất khoảng 8,6MPa Ứng suất nén lớn nhất đều nhỏ hơn ứng suất cho phép (30MPa) ® Ổn định
Trong dầm không xuất hiện ứng suất kéo ỉ Kết quả kiểm tra chuyển vị của dầm :
Chiều dài cầu (m) Trường hợp đứt sợi dây văng E1_TS1
Biểu đồ 6 Chuyển vị của dầm khi đứt 1 sợi E1_TS1
HV: Ngô Thành Ý 47 MSHV: 7140086 khi bị đứt khi chưa đứt Dd
Chuyển vị (mm) Nhịp Vị trí Độ vồng lớn nhất ở nhịp chính = 48,3mm < 78mm ® Ổn định Độ võng lớn nhất ở nhịp biên = 26,0mm < 50mm ® Ổn định
Phân tích tất cả 08 trường hợp đứt từng sợi dây văng trên cùng một mặt phẳng dây trên trụ tháp DBP2 từ dây văng E1 đến E4, nhận thấy:
- Ứng suất trong dây văng : ứng suất trong 02 sợi dây văng ngắn nhất gần trụ tháp DBP4 bị vượt ứng suất cho phép (do hoạt tải) ở trạng thái giới hạn sử dụng Ứng suất trong 02 sợi dây văng này tăng khoảng 2,7%, cụ thể :
Dây văng Fmax Fmax/F SLS DFmax Trụ tháp
Trường hợp đứt dây văng
Dây văng bị vượt ứng suất
Do đó, cần tiến hành thay thế dây văng bị đứt do không đảm bảo điều kiện về trạng thái giới hạn sử dụng
- Ứng suất trong dầm : Đối với nhịp biên 1 (DBP1~DBP2), khi một trong 04 sợi cáp E1~E4 bên trái trụ tháp DBP2 (sợi cáp chịu trực tiếp trọng lượng dầm nhịp biên) bị đứt, ứng suất nén trong nhịp biên 1 sẽ tăng nhiều nhất 4% khi đứt sợi dây văng ngắn nhất E1_TS1 và sẽ giảm nhiều nhất 13% khi đứt dây văng dài nhất E4_TS13 Ngược lại, khi đứt một trong 04 dây văng bên phải trụ tháp DBP2, ứng suất nén trong
HV: Ngô Thành Ý 48 MSHV: 7140086 nhịp biên 1 sẽ giảm 2% khi đứt dây văng ngắn nhất E1_TS2 và tăng 2% khi đứt dây văng dài nhất E4_TS14 Đối với 3 nhịp còn lại (nhịp 2, 3 và 4), ứng suất trong nhịp dầm đều giảm khi đứt 01 sợi dây văng tại trụ DBP2 Độ giảm ứng suất trong dầm thay đổi theo quy luật nhịp nào càng gần dây văng bị đứt (tại trụ DBP2), ứng suất nén trong nhịp đó càng giảm và càng xa dây văng bị đứt, ứng suất giảm ít hơn Theo đó:
Chiều dài cầu (m) Đứt 01 dây văng (đơn) trên trụ DBP2
Trước khi đứt cáp (TKKT đi ều chỉ nh) Đứt dây cáp E4_TS13 Đứt dây cáp E3_TS9 Đứt dây cáp E2_TS5 Đứt dây cáp E1_TS1 Đứt dây cáp E1_TS2 Đứt dây cáp E2_TS6 Đứt dây cáp E3_TS10 Đứt dây cáp E4_TS14
Biểu đồ 7 Ứng suất trong dầm khi đứt 01 sợi dây văng trên trụ tháp DBP2 Đối với nhịp biên 4 xa trụ DBP2 nhất, khi một trong 08 dây văng tại trụ DBP2 đứt đều làm giảm ứng suất nén dầm trong nhịp 4 khoảng 10% Đối với nhịp chính (Lpm), ứng suất nén trong dầm có xu hướng giảm từ 15%
~ 19% đối với nhịp 2 gần trụ DBP2 nhất và giảm từ 12%~17% đối với nhịp 3 xa trụ DBP2 hơn Ứng suất nén lớn nhất trong nhịp biên (nhịp 1 & 4) khi bị đứt 01 dây văng khoảng 15MPa Ứng suất nén lớn nhất trong nhịp chính (nhịp 2 và 3) khi bị đứt 01 dây văng khoảng 17MPa
- Chuyển vị trong dầm : Đối với nhịp biên 1 (DBP1~DBP2), khi một trong 04 sợi cáp E1~E4 bên trái trụ tháp DBP2 (sợi cáp chịu trực tiếp trọng lượng dầm nhịp biên) bị đứt, độ võng của dầm trong nhịp biên 1 sẽ tăng nhiều nhất 10% khi đứt sợi dây văng ngắn nhất E1_TS1 (tăng 2,3mm) và sẽ giảm nhiều nhất 11% khi đứt dây văng dài nhất E4_TS13 (giảm 2,7mm) Ngược lại, khi đứt một trong 04 dây văng bên phải trụ tháp DBP2, độ võng của dầm trong nhịp biên 1 sẽ tăng từ 9% khi đứt dây văng
HV: Ngô Thành Ý 49 MSHV: 7140086 ngắn nhất E1_TS2 đến 24% khi đứt dây văng dài nhất E4_TS14 (tăng khoảng 2,1~4,5mm)
Chiều dài cầu (m) Đứt 01 dây văng trên trụ DBP2
Trước khi đứt cáp (TKKT đi ều ch ỉnh) Đứt dây v ăng E4_TS13 Đứt dây văng E3_TS9 Đứt dây v ăng E2_TS5 Đứt dây văng E1_TS1 Đứt dây v ăng E1_TS2 Đứt dây văng E2_TS6 Đứt dây v ăng E3_TS10 Đứt dây văng E4_TS14
Sau khi nghiên cứu, phân tích các trường hợp đứt cáp dây văng trên các trụ tháp DBP2~DBP4, kết quả thu được như sau:
- Khi bất kỳ một dây văng đơn bị đứt, các giá trị nội lực và chuyển vị của dầm và ứng suất trong các dây văng còn lại đều nằm trong giới hạn cho phép, ngoại trừ một số dây văng trên trụ tháp DBP4 bị vượt ứng suất cho phép ở giai đoạn sử dụng ® cần tiến hành thay thế sợi dây văng bị đứt để tránh gây ảnh hưởng bất lợi cho các dây văng còn lại
- Khi đứt bất kỳ hai dây văng đơn cùng vị trí đối xứng nhau qua trụ tháp và cùng nằm trong một mặt phẳng dây, hiện tượng bị vượt ứng suất cho phép ở giai đoạn sử dụng cũng xảy ra trên một số dây văng, đặc biệt là nhóm dây văng trên trụ tháp DBP4 Bên cạnh đó, trong trường hợp cặp dây văng dài nhất trên trụ DBP4 là G3 hoặc G4 bị đứt, dầm trên nhịp chính 3 sẽ bị võng xuống khá lớn Ddpmm Lý do chính là tĩnh tải cộng thêm SIDL trên nhịp chính 3 lớn hơn so với các nhịp còn lại Về mặt lý thuyết, do hiệu ứng dự ứng lực dây văng và cả trong dầm, dầm tại nhịp chính 2 và 3 đều vồng lên khoảng (68~71)mm Do đó, khi kết hợp độ vồng do dự ứng lực và độ võng do đứt cáp dây văng, chuyển vị cuối cùng trong dầm vẫn trong ngưỡng cho phép Tuy nhiên, trong thực tế thi công, độ vồng do dự ứng lực có thể được điều chỉnh về đúng cao độ đường đỏ thiết kế (độ vồng do dự ứng lực bằng 0) bằng cách điều chỉnh cao độ xe đúc trong quá trình thi công dầm đúc hẫng Khi đó, dầm tại nhịp chính có thể bị võng xuống quá giới hạn cho phép khi bị đứt 02 dây văng đơn trên trụ tháp DBP4 Trong trường hợp này, cần kết hợp kết quả độ vồng/ võng thực tế của dầm sau khi hợp long cùng với kết quả nghiên cứu chuyển vị của dầm khi đứt cáp mới có thể đưa ra quyết định chuyển vị của dầm có vượt quá giới hạn cho phép hay không
- Xét trường hợp đứt 02 cặp dây văng đôi cùng vị trí hoặc đối xứng qua tim cầu, đặc biệt hi đứt dây văng trên các nhịp biên, do mất lực căng dây văng nên sẽ gây ra võng xuống tại chính nhịp biên có dây văng bị đứt đó và cả nhịp chính liền kề nhịp biên đó Khi đó, dầm tại nhịp chính còn lại sẽ có hiện tượng bị vồng ngược lên Độ vồng ngược do đứt dây văng này kết hợp với độ vồng do dự ứng lực trước sẽ làm cho dầm nhịp chính đó bị vồng quá giới hạn cho phép L/900xmm Trong trường hợp này, cần tiến hành tạm dừng khai thác cầu và thay thế các dây văng bị đứt
Kết quả phân tích và nghiên cứu các trường hợp thay bất kỳ 01 dây văng đơn như sau:
- Kết quả phân tích cho thấy nên dùng cáp neo tạm khi tiến hành thay 01 dây văng đơn bị đứt trong điều kiện cho phép một làn tàu điện lưu thông trên phía đối diện không có dây văng bị đứt
HV: Ngô Thành Ý 109 MSHV: 7140086 - Ngoài ra, do tĩnh tải cộng thêm trên nhịp chính 3 lớn hơn các nhịp còn lại nên trong mọi trường hợp thay dây văng, chuyển vị của dầm tại nhịp chính 3 đều lớn (Ddp,2mm)
Do đó, trong thực tế, trước khi tiến hành thay thế dây văng, cần kết hợp với kết quả chuyển vị ban đầu của dầm khi hợp long để đánh giá sơ bộ mức độ ảnh hưởng đến chuyển vị dầm khi thay cáp dây văng, từ đó có biện pháp xử lý phù hợp
Trong trường hợp đứt một dây văng đơn bất kỳ, một số dây văng tại trụ tháp DBP4 bị vượt ứng suất cho phép ở giai đoạn sử dụng Do đó, cần tiến hành thay thế dây văng bị đứt Khi tiến hành thay dây văng bị đứt, cần kết hợp cao độ thiết kế thực tế của dầm khi hợp long đưa vào sử dụng để đánh giá trước mức độ ảnh hưởng của dầm, từ đó có biện pháp phòng ngừa hợp lý Để tránh các rủi ro tiềm ẩn khi tiến hành thay cáp, kiến nghị nên dùng cáp căng tạm thời, đồng thời nên hạn chế tải trọng hoạt tải phù hợp khi lưu thông qua cầu
Trong trường hợp đứt từ 02 dây văng đơn trở lên, do độ võng cũng như độ vồng trong nhịp chính 3 thay đổi khá lớn, kiến nghị nên tạm dừng lưu thông qua cầu để tiến hành khắc phục sự cố đứt cáp
4.3 Hướng phát triển của đề tài:
Trong khuôn khổ của luận văn chỉ nghiên cứu các ứng xử tĩnh của cầu Điện Biên Phủ trong trường hợp đứt một dây văng đơn hoặc từ 01 đến 02 cặp dây văng đôi trên cùng một trụ tháp và chỉ xét ứng xử về nội lực và biến dạng Vì vậy, hướng phát triển tiếp theo của đề tài sẽ có những nghiên cứu sâu hơn về các vấn đề như:
Nghiên cứu về các ứng xử khác:
+ Sự mất ổn định cục bộ của dầm
+ Ứng xử về động lực học như: tần số dao động của cầu … + Ứng xử của cầu đối với động đất trong trường hợp đứt cáp
Nghiên cứu các trường hợp đứt dây văng từ 02 dây văng trở lên ờ các vị trí trụ tháp khác nhau và trên các mặt phẳng dây khác nhau
Luận văn dự kiến hoàn thành khoảng 5 tháng (22 tuần) sau khi có quyết định giao đề tài, cụ thể như sau:
STT Nội dung thực hiện Thời gian dự kiến
